Definition

Infraschall ist wie jeder Schall zunächst einfach bewegte Luft. Die Besonderheit des Infraschalls ist, dass er unterhalb des Hörvermögens des Menschen liegt. Die obere Grenze vom Infraschall liegt bei 16 bis 20 Hz. Im Gegensatz dazu ist der Ultraschall oberhalb unseres Hörvermögens ab 20kHz.

Wo entsteht Infraschall?

Infraschall ist allgegenwärtig. Es gibt viele natürliche Quellen dafür:

• Vulkanausbrüche
• Meeresrauschen
• Gewitter
• Wind
• Wasserfälle
• Schwankungen des Luftdrucks

Aber auch wir Menschen erzeugen Infraschall

• Lärm durch Verkehr (Strassenlärm odr Flugverkehr)
• Aber auch im Auto entstehen während der Fahrt erhebliche Pegel an Ultraschall
• kein Scherz: Trampolinspringen, Öffnen von Türen
• aber auch Windräder, die Gegenstand teils heftiger Diskussionen sind

Wie kann Infraschall gemessen werden?

Infraschall kann durch Mikrofone, Mikrobarometer, Drucksensoren gemessen werden. Die Mikrobarometer gehören zu den empfindlichsten Geräten und werden im professionellen Bereich eingesetzt. Sie dienen zum Beispiel der weltweiten Überwachung von möglichen Atomexplosionen.

Welche Eigenschaften hat Infraschall?

Infraschall hat zunächst keine speziellen physikalischen Eigenschaften. Die Besonderheit zieht sich nur auf die geringe Frequenz und auf unsere Wahrnehmung.

• Infraschall kann durch das menschliche Gehör nicht geortet werden. Bei frequnzen oberhalb von 16-20Hz ist der Schall gefühlt „überall“
• Typische Dämmstoffe sind nahezu wirkungslos.
• Massive Baumaterialen schirmen jedoch gut ab. In Kirchen ist der Verkehrslärm durch die dicken Mauern kaum hörbar.
• Fenster sind hingegen für Frequenzen unterhalb von 100Hz nahezu durchlässig
• In Räumen bilden sich häufig Resonanzen
• Im Freien haben tiefe Frequenzen eine enorme Reichweite.
• Je tiefer die Frequenz, desto schwieriger ist die Bekämpfung durch passive Maßnahmen.
• Durch die lange Wellenlänge, „kriecht“ der Schall um jede Ecke (Beugungseffekte)

Wie weit reicht Infraschall in der Atmosphäre?

Grundsätzlich gilt: je tiefer die Frequenz des Schalls, desto größer ist die Reichweite in der Atmosphäre. Die Druckwelle der Zar-Wasserstoffbombe umrundete mehrfach die Erde.

• Im Allgemeinen hat Infraschall weniger Wechselwirkung mit der Atmosphäre: Aufgrund der Absorptionsmechanik (Kollisionen zwischen Luftmolekülen) erfährt Infraschall im Vergleich zu höheren Frequenzen eine geringere Dämpfung. Bei diesen niedrigen Frequenzen schwingen die Luftmoleküle langsamer und kollidieren seltener, was zu einem geringeren Energieverlust führt.
• Resonanzeffekte: Allerdings kann Infraschall innerhalb der Atmosphäre Resonanzphänomenen unterliegen. Bestimmte atmosphärische Schichten können wie Wellenleiter wirken und bestimmte Infraschallfrequenzen über große Entfernungen einfangen und sogar verstärken.
• Ausbreitung über große Entfernungen: Aufgrund der geringeren Dämpfung kann Infraschall von seiner Quelle aus große Entfernungen, manchmal Tausende von Kilometern, zurücklegen. Aus diesem Grund kann Infraschall von Naturphänomenen wie Erdbeben oder Vulkanausbrüchen auch an weit entfernten Orten nachweisbar sein.
• Herausforderungen bei der Modellierung: Während die Standardabsorptionsgleichungen wie in der ISO 9613 grundsätzlich auf Infraschall angewendet werden können, kann ihre Genauigkeit bei diesen extrem niedrigen Frequenzen eingeschränkt sein. Zusätzliche Faktoren wie Bodenimpedanz und atmosphärische Turbulenzen spielen eine wichtige Rolle bei der Ausbreitung von Infraschall und machen die Modellierung komplexer.
• Obwohl Infraschall im Vergleich zu höheren Frequenzen eine geringere Absorption erfährt, sind seine Ausbreitungseigenschaften komplexer und beinhalten zusätzliche Faktoren, die über einfache molekulare Kollisionen hinausgehen.

Militärische Anwendungen

Infraschall hat aufgrund seiner Ausbreitungsfähigkeit über große Entfernungen potenzielle militärische Anwendungen. Allerdings sind die ethischen Implikationen und internationalen Vorschriften im Zusammenhang mit einer solchen Verwendung erheblich.

Ist Infraschall gefährlich?

Ja, Infraschall ist bei ausreichend hohem Pegel sogar tödlich. Denken Sie an die Druckwelle einer Explosion. Obwohl Infraschall für Menschen im Allgemeinen nicht hörbar ist, kann er bei ausreichend hoher Intensität dennoch physiologische Auswirkungen haben. Zu diesen Auswirkungen können Übelkeit, Schwindel und Unwohlsein gehören.

Dikussion im Bereich der Windenergie

Durch den Ausbau der Windräder ist Infraschall ein häufiges Thema.

• Ja, Windräder erzeugen Infraschall im Bereich 0.5Hz bis 20Hz
• Der erzeugte Infraschall ist messbar, sowohl qualitativ als auch quantitativ

Wie kann man den Infraschallpegel eines Windrades messen?

Sie benötigen hierfür spezielle Messgeräte. Normale Schallpegelmesser sind hierfür ungeeignet, da diese meist nur ab 20Hz messen können. Mit speziellen Messgeräten können auch Frequenzen unterhalb 1 Hz verlässlich gemessen werden. Gerade bei Windrädern muss man die Windgeschwindigkeit beachten.

• Der erzeugte Infraschall hängt von der Windgeschwindigkeit ab, da die Drehzahl des Windrads sich ändert.
• Wind erzeugt aber auch Turbulenzen am Mikrofon. Diese Strömungsgeräusche führen zu einer erheblichen Verfälschung einer Messung.

Wie bieten geeignete Messgeräte an, führen selbst Messungen vor Ort durch oder vermieten auch Ausrüstung an Sachkundige.

Infraschall ist Teil unserer natürlichen Umgebung. Es gibt bisher keine Hinweise, dass Infraschall, der in der Größenordnung der natürlichen Hintergrund-Pegels liegt, zu irgendwelchen Schäden führt. Infraschall entsteht durch banale Dinge im Alltag. Das Öffnen eines Kühlschranks erzeugt um Größenordnungen mehr Infraschall als ein Windrad in 300m Entfernung.

Eine Funkstrecke für ein Messmikrofon ist eine verlockende Alternative zu einem kabelgebundenen Messsystem. Leider sind auf dem Markt nur wenige Lösungen verfügbar. Das Problem ist weniger die technische Lösung. Durch den Gesetzgeber sind die mögliche Sendeleistung und der Funk-Frequenzbereich stark begrenzt. Die verfügbaren Frequenzen müssen mit verschieden Diensten und Geräten geteilt werden. Dadurch sind Reichweite, Signal-Bandbreite und Störunempfindlichkeit deutlich eingeschränkt.

Funkstrecken aus der Studiotechnik

Es gibt im Bereich der Studio-Technik jedoch eine große Vielzahl von Funk-Systemen. Diese Funkmodule sind primär dafür gedacht, zwischen Mikrofon und Mischpult geschaltet zu werden. Solche Funkstrecken lassen sich zunächst in zwei Kategorien aufteilen:

1. rein analoge Funkstrecken, die typischerweise FM (Frequenz-Modulation) verwenden.

2. digitale Systeme. Hier wird das analoge Mikrofon-Signal zunächst digitalisiert und als digitales Signal über die Funkstrecke übertragen. Im Empfänger wird daraus wieder ein analoges Signal erzeugt.

Funkfrequenzen sind knapp

Die Funkstrecken verwenden eine Vielzahl von Frequenzbändern. Diese sind vielfach international/EU bzw. national standardisiert. Weit verbreitet ist das 2,4 GHz Band für digitale Funkstrecken, das aber häufig durch WLAN Geräte, Bluetooth usw. bereits belegt ist. Die große Einschränkung bei Funkstrecken egal ob analog oder digital ist die verfügbare Bandbreite, dies ist weniger technisch bedingt, sondern dadurch, dass nur schmale Frequenzbereiche für Funkstrecken zugelassen sind. Daher ist die Bandbreite die wertvollste Ressource. Daher verwenden die Funkstrecken verschiedene Techniken, um Bandbreite zu sparen. Das sind zum Beispiel analoge Kompressionstechniken, aber auch sehr fortgeschrittene digitale Verfahren, die ähnlich dem MP3 Standard funktionieren.

Dynamik einer Funkstrecke

Ein hochwertiges Messmikrofon hat einen Dynamikbereich von 15dB bis 140dB, also ein Bereich von 125dB. Dieser hohe Dynamikbereich übersteigt zum Beispiel die Dynamik eines klassischen CD-Spielers und noch viel mehr die Dynamik einer Funkstrecke. Diese ist gar nicht in der Lage ist die Dynamik eines CD-Spielers von circa 96dB unkomprimiert übertragen zu können. Funkstrecken verringern daher die Bandbreite des analogen Signals und sie begrenzen auch die Dynamik. Viele Systeme haben eine AGC (Automatic Gain Control) eingebaut. Alle diese Techniken zur Kompression sind für Messtechnik ungeeignet und verfälschen das Messergebnis

Welche Komponenten benötigen Sie für eine Funkstrecke?

Für eine Funk-gebundene Messstrecke benötigen Sie:

1. Funkstrecke bestehend aus Sender und Empfänger. Der Sender ist meist für dynamische Mikrofone ausgelegt. Messmikrofone sind in der Regel Kondensatormikrofone und benötigen eine Phantomspeisung mit 48V.
2. Ein XLR Messmikrofon (siehe auch Grundlagen Messmikrofone)
3. Eine Soundkarte mit der Sie das Signal in den Rechner einspeisen können
4. Eine Phantomspeisung für das XLR Messmikrofon, die zwischen dem Mikrofon und dem Funksender eingeschleift werden muss.
5. Ein Schallpegelkalibrator. Diese oben beschriebene Signalkette enthält verschiedene Stufen mit teilweise unbekannter Verstärkung. Ein Kalibrator ermöglicht, absolute Schallpegel zu messen.

Moderne Messmikrofone in der klassischen Bauform als Kondensatormikrofon verändern ihre Paramter selbst über Jahre nur sehr wenig. Bei sorgfältiger Lagerung sind sie prInzipiell über Jahrzehnte verwendbar. Allerdings sind Messmikrofone im rauhen Alltag anderen Belastungen ausgesetzt.

Welche Auswirkungen hat der Sturz eines Messmikrofons auf den Boden?

Wie oft kommt es vor, dass ein Messmikrofon einfach vom Tisch fällt?

Von aussen ist vielleicht nur eine kleine Beule am Schutzgitter erkennbar. Aber......

Erste Hinweise liefert eine Sichtprüfung der Membran. Diese muss glatt anliegen und darf keine Beulen, Dellen oder Löcher haben. Dies wäre ein Totalschaden.

Das folgende Bild zeigt drei 1/2" Kapseln ohne Schutzgitter.

Die linke Kapsel ist normal funktionsfähig mit glatter Membran.
Bei der mittleren wurde die Membran entfernt und man erkennt die Gegenelektrode.  Die Löcher in der Gegenlektrode dienen einer gezielten Dämpfung der Membranbewegung.
Die rechte Kapsel ist durch Fallen beschädigt. Die Membran liegt nicht mehr glatt an. In diesem Beispiel ist der Defekt deutlich sichtbar. In der Praxis können die Schäden jedoch subtiler sein und optisch kaum erkennbar sein.

Auch wenn zunächst keine Schäden direkt sichtbar sind, kann die Membran eventuell nicht mehr, die vom Hersteller präzise eingestellte, mechanische Spannung besitzen.

 

Wie können Sie Mikrofone selbst überprüfen?

 

1. Sichtprüfung der Membran. Schrauben Sie das Schutzgitter ab. Halten Sie das Mikrofone gegen daas Licht und untersuchen Sie die Membran. Diese muss plan und ohne Dellen oder Löcher anliegen. Berühren Sie in keinem Fall die Membran.
   Finden Sie Beschädigungen an der Membran, so ist dies ein Totalschaden und die Kapsel muss getauscht werden.
   
   
2. Prüfen Sie die Empfindlichkeit mit einem Schallpegelkalibrator. Die Empfindlichkeit wird in mV/Pa angegeben. Vergleichen Sie diesen Wert mit den Angaben aus dem Kalibrierprotokoll. Die häufigsten 1/2" Messmikrofone haben eine Empfindlichkeit von ca. 50mV/Pa. Viele Schallpegelmesser zeigen direkt die gemessenen Empfindlichkeit an. Die Messung erfolgt üblicherweise bei 1kHz und 94dB. Es gibt jedoch auch Kalibratorem mit erweiterten Frequenen z.B. 125Hz, 250Hz oder 500Hz.
   
   
3. Vergleichsmessung mit einer funktionsfähigen Kapsel. Stellen Sie einen Lautsprecher im Abstand von ca. 1m vor das Mikrofone. Spielen Sie rosa Rauschen über den Lautsprecher ab. Messen Sie den Pegel in Terzbänderm mit beiden Mikrofonen nacheinander und vergleichen Sie diesen. Die Abweichungen sollten sich im Bereich der DIN/IEC61672-1 bewegen. Diese Messung erfasst allerdings grundsätzlich auch den Raumeinfluß und kann daher nur Anhaltspunkte liefern.

 

Letzlich muss bei unklaren Kapseln der Frequenzgang vermessen im Labor vermessen werden. Nur so kann die einwandfreie Einhaltung der Spezifikation durch den Hersteller geprüft werden.
Wir führen solche Messungen wirtschaftlich mit einer Präzisionsdruckkammer durch. Wir verwenden dafür einen automatisierten Messplatz, der alle relevanten Parameter erfasst. Sie erhalten einen übersichtlichen Bericht.

 

Wie können Sie die korrekte Funktion Ihres Schallplattenspielers überprüfen?

1. Sie schicken Ihr kostbares Gerät an eine autorisierte Werkstatt und lassen das Laufwerk überprüfen. In der Praxis ist dies aufwendig und langwierig und birgt ein nicht unerhebliches Transportrisiko.

2. Sie erwerben eine Testschallplatte, machen eine Aufnahme einer Spur dieser LP und schicken uns diese .wav Datei. Sie erhalten von uns eine automatische Auswertung.

Die Testschallplatte von Clearaudio

Es gibt eine Vielzahl von Testschallplatten auf dem Markt, dies sind teilweise sehr hochwertige z.B. von Bruel&Kjaer. Die meisten sind jedoch historisch und nur noch gebraucht verfügbar. Der wirkliche Zustand ist damit unklar.

Die Testschallplatte von Clearaudio ist eine Neuproduktion und zeigt daher ein definiertes Verhalten. Daher haben wir uns mit unserer Auswertung auf diese LP spezialisiert.

Diese LP enthält u.a. eine Aufnahme mit einem Pilotton von 1kHz und ein Sweep von 20-20kHz.

 

Welche Parameter können wir auswerten?

1. Frequenzgang des gesamten Systems vom Tonabnehmer bis zum Ausgang Ihres Phono-Verstärkers.

2. Drehzahl

3. Gleichlaufschwankungen (Wow&Flutter)

4. Übersprechen

5. Verzerrungen über der Frequenz

Was benötigen Sie für eine Messung Ihres Schallplattenspielers?

1. Die Testschallplatte von Clearaudio
2. Ein PC/Laptop wit einer geeigneten Soundkarte
3. Eine Aufnahme des Sweep Spignals (ca. 5min)
4. Schicken Sie uns die .wav Datei (ca. 90MB)
5. Sie erhalten die automatisierte Auswertung von uns.

Analyse der Aufnahmen der Testschallplatte von Clearaudio

Die Spur beginnt mit einem Pilotton mit der Frequenz von 1kHz und einer Länge von 10s. Mit diesem Pilotton können bereits Frequenzabweichungen ermittelt werden und die Pegel kalibriert werden. Danach folgt eine kurze Pause. Dananch folgt der "Sweep", ein Gleitton von 20-20kHz innerhalb von 50s. Dieser Sweep wird in verschiedenen Aufnahmen auf die beiden Kanäle verteilt. Es gibt Aufnahmen nur mit jeweils einem Kanal, sowie der Summe und der Differenz auf beiden Kanälen. Auf diese Weise kann das Übersprechen ermittelt werden.

Schauen wir uns zunächst den Verlauf des Pegels in dB über der Zeit an.

 

Man erkennt deutlich, den relativ konstanten Pilotton, die Pause und den Sweep.

Interssanter wird es, wenn man die Momentanfrequenz misst und auch wieder über der Zeit darstellt.

Bitte beachten Sie, dass die Y-Achse (Frequenzachse) logarithmisch ist. In dieser Darstellung ist der Sweep linear. Das wiederum bedeutet, dass die Frequenz innerhalb des Sweeps - wie es in der Audiotechnik üblich ist - exponentiell erhöht wird.

Schauen wir uns zunächst den Pilotton genauer an. In der Übersicht erscheint er zwar konstant mit 1000Hz, aber....

 

Man erkennt eine Abweichung von ca. 0.6% (994Hz statt 1000Hz) und eine Schwankung, die auch als Wow&Flutter bezeichnet wird. Weiter unten in diesem Artikel werten wir die Drehzahlabweichungen und Gleichlaufschwankungen genauer aus.

 

Der Frequenzgang des Plattenspielers

Aus dem Sweep kann der Pegel über der Momentanfrequenz aufgetragen werden. Dies ist der klassische Frequenzgang.

Sie können damit den Tonabnehmer und die RIAA-Entzerrung prüfen.

 

 

3D Darstellung: das Spektrogramm

 

Das Spektrogram ist ein hilfreiches Werkzeug, um den Pegel über der Zeit UND der Frequenz darzustellen.

Man erkennt den Signalverlauf in einem Überblick.

Im folgenden Bild stellen wir den Pilotton als klassisches 3D-Bild dar. Hier erkennt man deutlich die Harmonischen bei 2Hz, 3kHz usw.

In ideales Übertragungssystem würde nur den Ton bei 1kHz zeigen. Durch Nicht-lineare Effekte werden Oberwellen erzeugt.

Zum Ausmessen verwendet man eher eine normale spektrale Darstellung (FFT)

 

 

Die erste Oberwelle bei 2kHz beträgt -48dB mit Bezug auf den Pilotton. Die Verzerrungen liegen damit um Größenordnungen unter denen von modernen digitalen Aufzeichnungssystemen. Diese erreichen Verzerrungen unterhalb von -120dB (z.B. APX555 von Audio Precision). Das sind 70dB weniger, oder als Spannungververhältnis 1:3000. Die digitalen Systeme haben damit 3000mal geringere Verzerrungen. Aber vermutlich sind es genau diese deutlichen Verzerrungen, die bei den Enthusiasten den "warmen Klang" bewirken. 

 

An dieser Stelle möchten wir keine Diskussion pro oder contra einer LP vs. einer digitalen Aufnahme führen. Unser Ziel ist es, dass Ihr Plattenspieler die bestmöglichen Ergebnisse erzielt.

 

Übersprechen (englisch: Crosstalk)

 

Auf der Messschallplatte ist das Testsignal so aufgenommen, dass der Pilotton auf beiden Kanälen vorhanden ist. Der Sweep ist jedoch nur auf einem Kanal. Auf dem anderen Kanal sollte daher Stille sein. Dies ist jedoch nicht der Fall, da es bedingt durch das mechanische System zu Übersprechen kommt. Diese Übersprechdämpfung sollte möglichst hoch sein.

Dieses Übersprechen erkennt man bereits aus einem einfachen Pegel-Zeitverlauf. Hier werden grob etwa 18dB erreicht.

In der Auswertung wird die Übersprechdämpfung über der Frequenz aufgetragen.

 THD: Total Harmonic Distortion eines Schallplattenspielers

Aus dem Sweep können auch die nicht-linearen Verzerungen (THD) über der Frequenz bestimmt werden. Wir werten 5 Oberwellen aus. Bei höheren Freuenzen z.B. 10kHz erscheint nur noch die erste Oberwelle, da weitere Oberwellen bereits im Ultraschallbereich sind. Typische Aufnahmen haben eine Abtastfrequenz von 44.1 oder 48kHz. Damit wären höhere Oberwellen bereits oberhalb der halben Abtastrate. Auf Anfrage werten wir auch Aufnahmen mit Abtastraten von 96kHz und 192kHz aus. Bitte beachten Sie, dass der Sweep auf der Testschallplatte jedoch nur bis 20kHz reicht.

 

 

Messung der Gleichlaufschwankungen eines Plattenspielers

Die Gleichlaufschwankungen (Wow&Flutter) sind ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Plattenspielers. Hohe Schwankungen der Drehzahl führen zu "Leiern", geringere Schwankungen führen zu einem "rauhen" Klang. Die Grundlagen hierzu haben wir in dem verlinkten Artikel zusammengefasst.

 

Aus dem Pilotton der Testschallplatte kann die absolute Drehzahlabweichung und die Gleichlaufschwankungen bestimmt werden.

Schauen wir uns die Frequenz des Pilottons über der Zeit an. Eigentlich sollte dieser konstant 1000Hz betragen. Aber einen solchen "idealen" Plattenspieler gibt es nicht.

 

Eine andere Darstellung ist die Abweichung von der Nenndrehzahl in %.

 

In der Audiotechnik werden diese Abweichungen in der Regel nach IEC60386 bewertet. Dieses Filter bewertet bestimmte Abweichungen stärker als andere. Die Filterkurve wurde durch umfangreich Hörtests ermittelt und international standardisiert.

 

In den Datenblätter findet man nur die Mittelwerte. Die betragen für die obige Auswertung:

 

Abweichung von der Nenndrehzahl: -0.37%

Gleichlaufschwankungen (Wow&Flutter:

RMS unbewertet: 0.068%

RMS bewertet nach  IEC60386: 0.035%

2-sigma bewertet nach IEC60386:   0.066%

 

Die Abweichungen sind bewertet grundsätzlich deutlich geringer. Daher muss man bei Vergleichen besonders aufpassen. In der Norm IEC60386 wird neben dem Effektivwert (RMS) der bewerteten Frequenzabweichungen ein weiterer Parameter "2-sigma" definiert. Dieser statistische Parameter gibt an, dass 95% der Momentan-Frequenzabweichungen unterhalb dieses Wertes (hier 0.066%) liegen. Es ist jetzt Zufall, dass dieser Wert ähnlich dem unbewerteten RMS liegt.  Diese Werte haben nichts miteinander zu tun und müssen jeweils getrennt verglichen werden. Die einzige Gemeinsamkeit ist, dass alle drei Werte in % angegeben werden.

Relevante Normen

IEC 60386:1972/AMD1:1988
Method of measurement of speed fluctuations in sound recording and reproducing equipment

DIN IEC 60386:1995-04
Meßverfahren für Geschwindigkeitsschwankungen bei Tonaufzeichnungs- und -wiedergabegeräten (IEC 60386:1972 + A1:1988)